توسعه مدل مديريت توليد ذرت بر پايه خروجي مدل DSSAT، طراحي بهينه آبياري با مدل هيدروديناميك و بررسي عدم قطعيت نتايج با پلتفرم pSIMS

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

علوم و مهندسي آب

دكتري

با كاهش حجم منابع آب تجديدپذير در سال‌هاي اخير و افزايش جمعيت، تأمين امنيت غذايي به يكي از چالش‌هاي اصلي كشورهاي گرم و خشك با محدوديت منابع آب تبديل شده است. در اين شرايط نياز به توليد غذاي بيشتر در بخش كشاورزي با استفاده از آب كمتر و به عبارتي افزايش بهره‌وري آب مي‌باشد. يكي از راهكارهاي مقابله با اين چالش، استفاده برنامه‌ريزي شده از آب، بهينه‌سازي الگوي كشت و تاريخ كشت در هر منطقه با لحاظ محدوديت‌هاي آب، خاك، گياه و اتمسفر و مديريت هوشمندانه پارامترهاي مديريتي است. در همين راستا اين پژوهش در قالب سه مطالعه انجام گرفت. در مطالعه اول، به توسعه يك مدل شبيه ساز-بهينه ساز بر مبناي نتايج مدل گياهي CERES-Maize-CSM پرداخته شد. با اتصال شبكه عصبي مصنوعي براي پيش‌بيني زيست توده ذرت و بهره‌وري آب در سناريوهاي مختلف به ابزار بهينه‌سازي ژنتيك، مدلي توسعه داده شد كه قابليت بهينه‌سازي تاريخ كاشت، مقدار كود و آب مصرفي را دارد. نتايج ارزيابي مدل نشان دهنده دقت شبكه عصبي در تخمين زيست توده و بهره‌وري آب در حدود 4 درصد نسبت به داده‌هاي دريافتي از مدل گياهي و حداكثر مقدار 8/23 درصد در مقايسه با داده‌هاي مزرعه‌اي بود. در اين مطالعه همچنين به ارزيابي و بررسي روش‌هاي پيش‌بيني داده‌هاي هواشناسي براي فصل پيش رو به عنوان اولين اطلاعات ضروري براي مديريت و برنامه‌ريزي و دستيابي به داده‌هاي دقيق با مدل گياهي پرداخته شد، دو روش استفاده از متوسط 10 و 20 ساله داده‌هاي تاريخي و روش طبقه‌بندي k-NN بر مبناي استفاده از داده‌هاي دماي حداكثر، حداقل و تبخير-تعرق مرجع در مقياس‌هاي زماني روزانه، هفتگي، ده روزه و ماهانه بررسي شدند. همچنين اثر داده هاي هواشناسي مذكور در توليد زيست توده ذرت با استفاده از مدل CERES-Maize ارزيابي شد. نتايج نشان دهنده متوسط مقادير NRMSE كمتر از 30/16 درصد در استفاده از روش k-NN در تخمين داده‌ها براساس داده‌هاي دماي حداكثر در هر دو منطقه مورد مطالعه بود و تخمين داده‌هاي تابستان در تمامي سناريوها، بيشترين دقت را نسبت به فصل‌هاي بهار و پاييز داشت. همچنين استفاده از 10 سال داده در مقايسه با 20 سال داده منجر به كاهش 2/6 درصدي مقادير متوسط NRMSE در منطقه گلپايگان و افزايش دقت پيش بيني شد. از آن جايي كه داده‌هاي ورودي به مدل گياهي با عدم قطعيت همراه هستند و اجراي آن براي يك نقطه از مزرعه نمي‌تواند در سطح كلان مديريتي كمك كننده باشد و با خطا همراه است. در مطالعه دوم به بررسي عدم قطعيت نتايج دريافتي از بسته نرم افزاري DSSAT براي محصول ذرت با پلتفرم pSIMS پرداخته شد. با اجراي مدل به صورت شبكه بندي شده و لحاظ سه دسته گروه داده خاك، ده گروه داده آب و هوا و سه تاريخ كاشت متفاوت (28ارديبهشت، 28 خرداد و 16 تير) براي 15 سال (2003 تا 2017) به بررسي دامنه تغييرات نتايج دريافتي (زيست توده كل، بهره‌وري آب آبياري و تبخير- تعرق ذرت در كل فصل) پرداخته شد. در هر پيكسل از منطقه، 1350 بار مدل اجرا شد كه 450 اجرا مربوط به يك سناريوي تاريخ كاشت است. دامنه تغييرات نتايج دريافتي در چهار منطقه توليد ذرت در استان اصفهان (اصفهان-برخوار، فلاورجان، گلپايگان و فريدن) مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان دهنده بيشترين تاثير پارامتر تاريخ كاشت بر SD ((Standard Deviation نتايج و كمترين تاثير داده‌هاي آب و هوايي و خاك بود. در بين چهار منطقه مورد مطالعه، فريدن با دامنه تغييرات 2/0 تا 09/2 تن بر هكتار بيشترين تغييرات انحراف معيار بين سه تاريخ كاشت را داشت و كمترين آن در اصفهان-برخوار و فلاورجان به ترتيب با دامنه تغييرات 85/0 تا 93/0 و 67/0 تا 81/0 تن بر هكتار بود. همچنين بررسي تاثير تغييرات زماني بر مقادير SD نتايج نيز نشان دهنده، مقدار 08/0 تا 12/2 تن بر هكتار (4/0 تا 5/8 درصد از كل مقدار زيست توده ذرت علوفه‌اي) در 15 سال و در چهار منطقه مورد مطالعه بود. انحراف معيار عملكرد در مناطقي با دماي متوسط كمتر و بارش بيشتر (فريدن و گلپايگان) مقادير بيشتر با تغييرات چشمگيرتري در طي 15 سال و سه تاريخ كاشت داشت. دامنه تغييرات بين 12/0 تا 13/1 تن بر هكتار در گلپايگان و 15/0 تا 12/2 تن بر هكتار در فريدن در 15 سال بود. در مطالعه سوم نيز با استفاده از ابزار شبيه ساز توسعه داده شده در مطالعه اول، با شبيه‌سازي جريان در جويچه با حل معادله سنت ونانت و استفاده از تابع هدف حداقل كردن هزينه‌هاي آبياري به بهينه‌سازي پارامترهاي طراحي آبياري جويچه‌اي در راستاي دست يابي به حداكثر عملكرد پرداخته شد. به منظور بررسي دقت مدل توسعه داده شده، نتايج با داده‌هاي مزرعه اي مقايسه شد كه منجر به كاهش 44 درصدي هزينه و افزايش 15درصدي راندمان كاربرد شد.

223526

آبياري و زهكشي

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان